CC BY
39
© О.С. Мисников, В.А. Беляков, 2015
УДК 622.271.7
О.С. Мисников, В.А. Беляков
ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННАЯ ДОБЫЧА ТОРФА ДДЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФОРМОВАННОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В РЕСПУБЛИКЕ САХА (ЯКУТИЯ)
Проведен анализ возможности замены дальнепривозного каменного угля торфяным топливом в котельных п. Батагай Республики Саха (Якутия). Рассмотрена возможная сырьевая база для получения формованного твердого топлива на основе торфа в условиях вечной мерзлоты. Представлена технологическая схема производства кускового торфа. Она включает в себя добычу торфяной пульпы, ее сгущение с обезвоживанием, формование и стилку кусков, их сушку, уборку и складирование. Ключевые слова: торф, сырьевая база, формованное топливо, гидромеханизация, формование, полевая сушка, сублимация.
Верхоянский район находится на северо-востоке Республики Саха (Якутия). Около 90 % территории района расположено за полярным кругом с соответствующими суровыми климатическими условиями [1], а также отсутствием транспортной и энергетической инфраструктуры. Одна из основных проблем Крайнего Севера - северный завоз. И Верхоянский, и другие районы северо-востока Якутии могут жить и вести экономическую деятельность только при условиях успешного снабжения энергоресурсами, продуктами питания и другими товарами. Янским речным флотом, который традиционно в период навигации доставлял жителям все необходимые ресурсы, в настоящее время справляться с решением этой задачи проблематично. Пароходство находится в кризисе, связанным с тем, что последние десять лет не проводятся дноуглубительные работы на реке Яне, что затрудняет проход по ней судов. Поскольку фарватер не углубляется, на сегодняшний день пропускная способность реки позволяет проходить баржам с грузом 300...400 тонн, вместо требуемых 1000 тонн.
В последние годы значительная часть грузов завозится по зимникам автотранспортом, что влечет за собой значительное
их удорожание, так как этот вид дорог действует всего три-четыре месяца в году. Круглогодичные автодороги на этой территории отсутствуют.
В этих условиях руководством ОАО «Янгеология» было предложено правительству Республики Саха (Якутия) рассмотреть вопрос о возобновлении исследований месторождений торфа и использования торфяного топлива для котельных Верхоянского района.
Изучение торфяных месторождений в Верхоянском районе на предмет экономической целесообразности добычи и возможности применения торфа в целях теплоснабжения в котельных районного центра - поселка Батагай было поручено ГБУ Академия наук Республики Саха (Якутия), совместно со специалистами Тверского государственного технического университета.
Предварительные расчеты показали, что при соотношении1 необходимого количества торфа к углю 1,8 : 1 проект может быть экономически эффективным, так как себестоимость угля составляет 8 640 рублей за тонну, а себестоимость двух тонн торфа 5 901 рубль (в ценах 2012 года). И хотя месторождение угля Джебарики-Хая находится сравнительно недалеко от п. Батагай, доставка угля осуществляется окружным путем (рис. 1) по рекам Лена и Яна с дополнительной перегрузкой в портах. Доставка происходит в короткий период навигации в течение двух лет2.
Сырьевая база для получения торфяного топлива была проанализирована по материалам Табалахской торфяной партии, которая проводила геологическое обследование и оценку торфяных месторождений района в период с 1941 по 1954 год [2]. В окрестностях п. Табалах (Улахан-Кюель), находящегося в 80 км от Батагая были выявлены 52 объекта - затор-фованные участки и озера с мощностью торфяного пласта более 0,5 м - которые представляли интерес в качестве потенциальных источников торфяного сырья. Наиболее ценные в промышленном отношении месторождения разведаны рекогносцировочно по категории «С2» и остальные - мар-шрутно по категории «Р».
1 Исходя из теплотворной способности торфа и угля.
2 А точнее - двух навигаций.
Рис. 1. Схема транспортного маршрута доставки угля в п. Батагай
По категории «С 2 » разведано 19 объектов общей площадью в границах промышленной залежи более 3 тыс. га и запасом торфа-сырца 40 млн м3. Низкие категории разведки установлены из-за недостаточности данных о качестве торфяного сырья.
Для промышленного использования представляет наибольший интерес группа из 14 объектов, расположенных по правобережью р. Табалах, на расстоянии не более 10 км друг от друга и в 75—90 км на восток от поселка Эге-Хай [3].
В качестве сырьевой базы по производству топливного торфа для п. Батагай было выбрано месторождение Хотогор, расположенное на расстоянии 8 км от п. Табалах. Месторождение делится на приозерную промороженную часть и подводную (подозерную). Большая часть запасов торфа приходится на подозерную часть. На площади месторождения выделяются 7 участков с зольностью торфа свыше 25 %, качество которого
не соответствует требованиям нормативных документов для получения топлива [4]. Контур озера совпадает с основными запасами торфа, находящегося в незамерзшем состоянии. При добыче торфа из акватории нижний слой торфа также может быть использован, так как его природоохранная функция в этом случае не выполняется. Глубина воды в озере в основном колеблется от 1,5 до 1,8 м. В месте сосредоточения основных запасов торфа его мощность в среднем составляет 2.4 м (минимальная - 1,6; максимальная - 5,65 м). На приозерной части выделяются два глубокозалежных участка площадью 10 га каждый. Они в целом изолированы от основной залежи. Общая площадь месторождения составляет 377 га, запас воздушно-сухого торфа - около 800 000 тонн.
В качестве основной технологии добычи была рассмотрена схема разработки торфяного месторождения, предполагающая добычу торфа гидромеханизированным способом. В целом технология получения формованного твердого топлива на основе торфа будет состоять из следующих технологических операций:
1. гидромеханизированная добыча торфяной пульпы землесосным снарядом;
2. намыв торфяной пульпы в отстойники;
3. сгущение торфопульпы;
4. промораживание (при необходимости);
5. транспортирование торфомассы влажностью 75.80% к месту формования и стилки;
6. формование кусков и их стилка на предварительно подготовленных площадках;
7. сушка кусков в полевых условиях с осуществлением технологических операций по ее интенсификации;
8. валкование (при необходимости) и уборка формованного топлива кондиционной влажности;
9. досушка кусков в закрытых вентилируемых складских помещениях (при необходимости с сублимацией) [5].
При наличии запасов торфяного сырья вне озер, возможно применение традиционной технологии добычи экскаваторного кускового торфа. В этом случае вместо пунктов 1-4 будет производиться добыча торфа одноковшовым экскаватором.
Гидромеханизированный способ добычи торфа принято считать наиболее эффективным при подводной разработке месторождения. При этом нет необходимости в спуске воды из озера и можно вести добычу при любой глубине залегания. При этом одновременно решается экологическая задача по очистке озера от органических и органоминеральных отложений [6].
Торфяная масса разрыхляется, разжижается озерной водой, засасывается землесосным снарядом и по пульпопроводам перекачивается на берег.
Объединение в одну технологическую цепочку добычи, транспорта, обогащения и складирования торфа, возможность полной выработки достаточно глубоких месторождений делают этот способ в большинстве случаев незаменимым. К тому же он полностью механизирован, может быть автоматизирован, минимально трудоемок и экономически выгоден.
После сгущения торфомассы ее необходимо сформовать в куски и выстелить на горизонтальную площадку для сушки в естественных условиях с использованием солнечной радиации. Однако в условиях озера Хотогор произвести стилку и сушку не представляется возможным из-за отсутствия площадей, соответствующих технологическим требованиям. Таким образом, необходима транспортировка торфомассы до поселка Табалах (8 км), на территории которого предполагается проводить остальные технологические операции: стилку, сушку (досушку), уборку и складирование.
Исходя из производительности, для разработки залежи озерного торфа возможно использование земснаряда типа ГТ - 400 Эж, который относится к классу малогабаритных судов с собственной энергетической установкой. Главным рабочим органом является водоструйный насос (кольцевой эжектор) с гидрорыхлителем. Подача рабочей жидкости на эжектор и гидрорыхлитель осуществляется центробежным насосом, с приводом от дизеля ЯМЗ-238. Привод оперативных лебедок осуществляется от навесного генератора мощностью 8 кВт. Питание дизеля от топливной цистерны емкостью 600 л. Тяговое усилие оперативных лебедок - 0,5 т с. Способ рабочих перемещений - якорно-тросовый. Производительность земснаряда по пульпе 400 м3/час. Управление работой земснаряда осуществляется из теплой рубки с современными приборами
управления. Большая глубина разработки при малых габаритах и весе дает значительные преимущества его применения по сравнению с крупными земснарядами. Отсутствие вращающихся частей эжектора и простота его конструкции должны сделать эксплуатацию удобной и не требующей дорогого и частого ремонта по сравнению с грунтовыми насосами.
Для выполнения сезонной программы производства кускового торфа 10 тыс. т рассчитаем баланс сырья, пересчитанного с естественной влажности (« 98 %) на условную (для кускового торфа 33 %)
т2 -(100 - w7) 10 000 -(100 - 33)
т -Г^ =-7-^-г-= 335 000 т.
1 (100 - ^) (100 - 98)
Таким образом, для выполнения программы нам необходимо добыть 335 тыс. т торфяной пульпы. При примерной плотности 1007 кг/м 3 , объем будет примерно равен массе.
Сезонная производительность земснаряда ГТ - 400 Эж при двухсменной работе в течение 60 дней летнего сезона
Q зс сез = 400-16-60 = 384 тыс. м3 ,
таким образом, ее будет достаточно для выполнения вышеуказанной программы добычи торфа (335 тыс. м3).
После сгущения и промораживания в отстойнике ожидается снижение влажности до 80 %, то есть масса торфа, которую будет необходимо транспортировать в поселок Табалаах, будет равна
= т-доо - ^2) = ззааи-роо - 98) = 33268 т.
1 (100 - ^) (100 - 80)
Объем такой массы торфа будет составлять V = 33 268 / 0,6 = 55 447 м3.
Особую проблему представляет строительство отстойников. По обычной технологии, используемой при добыче сапропеля, на территории, выделенной под отстойники, полностью снимается и удаляется дерновый покров. Основание дамб заглубляется на 0,2 м ниже отметок дна отстойников. Дамбы отсыпаются бульдозерами или экскаваторами с обязательным уплотнением. При этом необходимо сле-
дить, чтобы в тело дамбы не попал дерн и почвенно-растительный слой грунта. Особое внимание необходимо уделять тщательности заделки щелей между телом дамбы и водоотводящими патрубками сливных колодцев, которые рекомендуется забивать мятой глиной с ее уплотнением. Это снижает опасность протекания воды сквозь дамбу и ее размыв. После отсыпки дамб дно отстойников выравнивается бульдозером с приданием ему уклона (0,004...0,005) в сторону сливного колодца.
Намыв пульпы ведется слоями толщиной по 0,2 м и повторяется через каждые 5 суток. Для климатических условий центральных районов РФ в течение сезона может быть выполнено 20 и более циклов намыва с образованием слоя более 1 м.
В округе озера Хотогор нет возможности делать насыпные дамбы, так как на глубине уже около 0,4.0,5 м находится слой вечной мерзлоты, а верхний слой толщиной 0,5 м чаще всего является торфяной почвой. Поэтому стенки отстойника придется делать из каких-либо конструкционных материалов, самым доступным из которых является древесина лиственницы. При обычных размерах отстойника 200^100 м и высоты налива 1 м для размещения 335 тыс. м3 пульпы потребуется 17 таких отстойников. А если учесть, что отстаивание пульпы достаточно медленный процесс, а в начале сентября уже могут наступить морозы, то необходимо их количество увеличить минимально в 1,5 раза, для того, чтобы создать резерв для следующего сезона. Но даже при плотной установке (что уже противоречит технологии) 24 отстойника займут площадь 800 х 600 м или 48 га.
В Верхоянском районе Якутии стабильные морозы 40.50 °С устанавливаются уже в ноябре и продолжаются до мая. В отдельные годы они могут достигать величины более 60 °С, что приведет к полному промораживанию торфа в отстойниках и в течение следующего лета он вряд ли оттает полностью, если не принять специальных мер.
В таких условиях схему с осаждением торфа в отстойниках можно считать нецелесообразной. Более приемлема, на наш взгляд, схема с использованием барабанных фильтров типа БФА. Барабанный фильтр БФА 800/2500/3 с двигателем 1,5 кВт и массой 450 кг имеет производительность по пульпе
650 м3/час, что примерно соответствует производительности земснаряда. При этом схема получения формованного твердого топлива на основе торфа будет состоять из следующих операций:
1. гидромеханизированная добыча торфяной пульпы землесосным снарядом;
2. сгущение торфопульпы в барабанном фильтре;
3. транспортирование торфомассы влажностью 80.85% к месту формования и стилки;
Далее обычная технология получения кускового торфа с использованием прицепных к колесному трактору стилочных машин (рис. 2).
В данных метеорологических условия технология линия производства формованного твердого топлива из торфяного сырья может быть реализована следующим образом. Разработка торфяной залежи осуществляется гидромеханизированным способом при помощи землесосного снаряда со дна водоема. От землесосного снаряда торфомасса по пульпопроводу транспортируется в сгуститель, расположенный на берегу водоема на расстоянии 200-250 м от участка добычи торфа. В результате сгущения и удаления воды влажность торфомассы понижается с 96-98 % до 78-84 %. При достижении торфомассой влажности 78-84% она загружается (или транспортируется, а затем загружается) в стилочную машину для осуществления операций механической переработки, экструзионного формования и стилки на поле сушки. Дополнительно можно перед погрузкой в стилоч-ную машину в торфомассу вводить биомассу в виде древесных опилок. Это позволит не только снизить начальную влажность формования торфомассы и ее зольность, но и существенно увеличить прочность готового топлива а, в некоторых случаях, и его теплотворную способность. Сушка формован-
Рис. 2. Погрузка торфяной массы в стилочную машину
ного твердого топлива (торфяных кусков) в полевых условиях производится под действием солнечной энергии с влажности 78-84 % до влажности 40-45 % с применением механизированной операции «ворочка», позволяющей интенсифицировать процесс сушки. Ворочка осуществляется при достижении кусками влажности 65-70 %. При влажности 35-50 % производится валкование, а затем уборка кусков и их транспортирование при влажности 35-40 % в вентилируемые складочные единицы, где их влажность может снижаться до 30-35 %. Если влажность убираемых кусков находится в диапазоне 40-50 % они при хранение в складочных единицах будут подвергаться сублимационной досушке до влажности 30-35 %.
Таким образом, в работе предложена технология получения формованного твердого топлива на основе торфа в условиях вечной мерзлоты, которая предусматривает гидромеханизированную добычу торфяного сырья из прилегающих к населенным пунктам озер.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Евсеев В.Н., Кужман Г.И., Соколов A.A. Добыча торфяного топлива на Крайнем Севере. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1960. 45 с.
2. Торфяные месторождения Якутской АССР // Проблемы Севера. М.: АН СССР, 1958. Вып. 2. С. 130-155.
3. Панов В.В., Протопопов A.B. Об особенностях генезиса реликтовых торфяных болот Табалахской впадины Республики Саха (Якутия) и их использовании // Горный информационно-аналитический бюллетень. М: МГГУ, 2013. № 3. С. 109-117.
4. Ефимова Е.С., Пухова О.В. Изменение водно-физических свойств торфяного сырья при механической переработке и сушке // Труды ИН-СТОРФА, 2013. № 8 (61). С. 44-47.
5. Гревцев Н.В., Шампаров А.Г. Системные принципы выбора технологии добычи и переработки торфяного и техногенного сырья // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2009. № 8. С. 14-20.
6. Мисников О. С. Физические процессы структурообразования при сушке погребенных сапропелей // Автореф. дис.... канд. техн. наук. Тверь, ТГТУ, 1997.-20 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Мисников Олег Степанович - доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Геотехнология и торфяное производство», Беляков Владимир Александрович - доцент, Тверской государственный технический университет, e-mail: common@tstu.tver. ru
UDC 622.271.7
HYDRAULIC PEAT EXTRACTION FOR OBTAINING OF MOLDED SOLID FUEL IN SAKHA (YAKUTIA) REPUBLIC
Misnikov O.S., doctor of technical Sciences, Professor, head of the Department of «Geotechnology and peat production», Tver state technical University, Russia, Belyakov V.A., associate Professor, Tver state technical University, Russia.
The study analyses opportunities for replacing long-range coal by peat fuel in boiler houses of settlement Batagay, the Sakha (Yakutia) Republic. We examined perspective in-situ resources for obtaining molded solid fuel on basis of peat with respect to permafrost. The study presents a technological scheme of sod peat production. It includes peat slurry extraction, its thickening with dehydration molding and arrangement of milled peat, its drying, harvesting and storage.
Key words: peat, in-situ resources, molded fuel, hydromechanization, molding, field drying, sublimation.
REFERENCES
1. Evseev V.N., Kuzhman G.I., Sokolov A.A. Dobycha torfjanogo topliva na Krajnem Severe (Peat fuel excavation the Far North region). Moscow, Leningrad: Gosjenergoizdat, 1960. 45 p.
2. Torfjanye mestorozhdenija Jakutskoj ASSR (Peatlands of Yakut Autonomous Soviet Socialist Republic) // Problemy Severa. Moscow: AN SSSR, 1958. Vyp. 2. pp. 130-155.
3. Panov V.V., Protopopov A.V. Ob osobennostjah genezisa reliktovyh torfjanyh bolot Tabalahskoj vpadiny Respubliki Saha (Jakutija) i ih ispol'zovanii (On the peculiarities of relict peatlands genesis of the Tabalahskaya depression in the Republic of Sakha (Yakutia) and their use) // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. Moscow: MGGU, 2013. No 3. pp. 109-117.
4. Efimova E.S., Puhova O.V. Izmenenie vodno-fizicheskih svojstv torfjanogo syrja pri mehanicheskoj pererabotke i sushke (Change of water-physical properties of peat raw materials during mechanical processing and drying) // Trudy INSTORFA, 2013. No 8 (61).
pp. 44-47.
5. Grevcev N.V., Shamparov A.G. Sistemnye principy vybora tehnologii dobychi i pererabotki torfjanogo i tehnogennogo syrja (System principles of technology choice of extraction and processing of peat and industrial raw materials) // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Gornyj zhurnal. 2009. No 8. pp. 14-20.
6. Misnikov O.S. Fizicheskie processy strukturoobrazovanija pri sushke pogrebennyh sapropelej (Physical processes of structure formation during drying of buried sapropels) // Avtoref. dis.... kand. tehn. nauk. Tver', TGTU, 1997. 20 p.
